水平筋形式对水平-竖向加筋砂土强度的影响

魏 伟, 张孟喜, 张朕磊

(上海大学 土木工程系,上海 200072)

水平筋形式对水平-竖向加筋砂土强度的影响

魏 伟, 张孟喜, 张朕磊

(上海大学 土木工程系,上海 200072)

选用有机玻璃作为加筋材料,针对不同的水平筋形式 (带孔、满布)、竖筋高度以及不同围压下的水平-竖向(horizontal-vertical,H-V)加筋砂土,进行 100多组平面应变试验.研究不同的水平筋形式对 H-V加筋砂土强度的影响,同时验证竖筋高度和围压对强度的影响.试验结果表明,水平筋带孔时,H-V加筋砂土的强度优于满布情况下的强度.这主要是因为孔洞能够将轴向荷载传递给下部土体,使竖筋不会过早破坏,孔洞自身也形成了一种格室效应,增强了土体的强度.同时,孔洞的大小对加筋土体强度也有一定的影响,验证了竖筋高度存在最优值.

水平-竖向加筋;平面应变试验;水平筋形式;竖筋高度

能够提高土体的强度和结构的稳定性是加筋土的一个显著优势,因此,许多学者对加筋土的强度特性及其影响因素进行了研究.Schlosser等[1]用三轴试验研究金属条加筋砂土,发现加筋土的破坏强度与加筋最大抗拉强度成正比,与加筋层间距成反比.Ingold[2]通过对多孔塑料加筋的饱和黏性土进行不排水试验,发现了当 D/ΔH≥4时 (D为试样的直径,ΔH为加筋层厚度),加筋效益大于 1.赵爱根[3]以针刺无纺织物为加筋材料,进行了饱和黏土的固结不排水剪试验,结果表明加筋土的强度有所降低.李国祥等[4]对影响加筋土强度特性的加筋率、伸长应变2个主要因素进行了探讨,认为加筋率越高,加筋土体强度越大.吴景海等[5]以 5种国产土工合成材料为加筋材料,用三轴试验比较不同加筋材料对砂土的加筋效果,得到一些有益的结论.魏红卫等[6]研究了不同排水条件下的加筋效果,认为排水条件下加筋土的强度高于不排水条件下的强度,主要是受孔隙水压力的影响.

加筋土目前被广泛应用于挡土墙、大坝、路堤等工程领域,部分学者也以工程为背景对加筋土的应用进行了系列研究.杨广庆等[7]进行了加筋土挡墙的变形检测.罗庆裕等[8]分析了土工织物加筋土挡墙的设计计算、施工要点、原型观测和稳定分析.

可以看出,目前的试验研究采用三轴试验且加筋方式大多为传统的水平筋,而加筋土结构常处于平面应变状态,因此,采用平面应变试验进行加筋土强度特性的研究应该更为合理.Tatsuoka等[9]对不同筋材的加筋土进行了大量的平面应变试验,认为当杨氏模量 E值很大,或杨氏模量很小且泊松比ν很小的情况下,加筋效果最佳.Roh等[10]通过土工织物加筋的平面应变试验得出,在不固结不排水条件下的加筋效果不明显,主要是因为孔隙水压力过高.此外,Tatsuoka等[11]还针对平面应变状态下加筋土在循环载荷下的特性进行了研究.马险峰等[12]对几种主要类型的平面应变仪的优缺点作了阐述,同时开发改良型平面应变仪,进行了砂土的平面应变试验,推导出平面应变条件下的砂土强度参数与三轴条件下参数的换算关系,并与类似的关系式进行比较.张孟喜等[13-14]提出了立体加筋的概念,并且进行了一系列的试验研究,验证了立体加筋土的强度优于传统水平筋的强度,并且初步探讨了不同的围压、竖筋高度和筋材材料对加筋土强度特性的影响,对水平-竖向 (horizontal-vertical,H-V)加筋土的研究起到了推动作用.

H-V加筋是一种立体加筋体系,水平筋和竖筋的共同作用使得加筋效果更佳.本研究以有机玻璃为材料制作 H-V加筋,进行平面应变试验,探讨平面应变条件下加筋土的应力-应变曲线特性,研究水平筋的形式对加筋土强度的影响,验证竖筋高度和围压对强度的影响,初步探讨了 H-V加筋土的强度特性.

1 试验方法

1.1 试验准备

试验仪器采用江苏溧阳永昌试验仪器有限公司生产的 PY-10型平面应变仪.试样尺寸为 100 mm×100 mm ×50 mm,其受力形式如图 1所示,σ2为平面应变方向.应变仪在σ2作用平面设置一对刚性侧板,σ3作用平面为柔性水囊加压,通过上下对销螺栓(共 8个)将柔性加压系统和侧向约束钢板固定.由于侧向钢板对销螺栓提供的固定作用,约束了σ2方向的变形,即提供了平面应变条件.应变仪采用应变控制式加压方式,设置σ3大小后,启动电机,下部的升降台自动上升.在试验过程中,σ1和σ2的大小一直在变化并最终达到破坏,其中σ2=μ(σ1+σ3).

图 1 试样受力示意图Fig.1 Force d iagram of sample

目前,加筋土的试验研究大多采用标准砂.为了和已有的传统水平筋材试验结果作对比,本次试验采用福建厦门产的标准砂.为减小试验的离散性,砂土选用干砂,其颗粒的级配分布曲线如图 2所示,经计算其物理特性参数如表1所示,属于级配不良的砂;筋材采用 2 mm厚有机玻璃;标准砂和有机玻璃之间的摩擦系数经直剪试验测定为 0.35;水平筋材形式分为 4种情况,满布时尺寸为 95 mm×46 mm,其他 3种情况是在满布的基础上带孔制成的,具体情况如表2所示;竖向筋条宽均为 95 mm,高度ΔH分别取 5,10,15和 20 mm,用三氯甲烷将筋条粘结起来形成 H-V加筋 (见图3).H-V加筋与传统水平加筋的不同之处在于竖向筋条的存在.为充分发挥竖向筋条的作用,并考虑到竖筋过高时易过早发生倾倒,因此,当竖筋高度超过 10 mm时,在竖筋两侧加上 5 mm高的肋条.这里的筋材采用有机玻璃,实验室易于操作,但因玻璃的脆性,在试样破坏时强度有可能会产生陡降.此外,筋材制作采用三氯甲烷粘结剂,因为粘结质量影响试验结果,可能会使试验结果的离散性加大.

图 2 试验所用砂土颗粒的级配曲线Fig.2 Gra in size d istr ibution curve of sand used in tests

表1 砂样的物理特性参数Table 1 Physical proper ties parameter s of sand

表2 水平筋形式Table 2 Form s of hor izontal inclusions

1.2 试验过程

图 3 试验所用筋材(mm)Fig.3 Reinforcement used in tests(mm)

试验时,将筋材放置在试样高度一半的位置,(见图 3(a)).在试验过程中应使每个试样具有相同的密实度,这里通过采用在相同质量 (790±10 g)情况下分层击实的方法来实现.为保证试样能够站立成型,在装样完毕后使用真空泵进行抽真空,使试样具有一定的负压.待围压和轴压加载系统后,撤去负压进行试验,其中试验的剪切速率控制在0.016 mm/min.以 15%应变作为试验结束的界定,共制定工况A～工况 D 4个工况 (见表2),每个工况按照不同围压 (50,100,150,200 kPa)和竖筋高度 (0,5,10,15,20 mm)分别进行 20组试验,最终选取 84组有效的试验结果.

2 试验结果及其分析

2.1 加筋土破坏的变形分析

无筋土和 H-V加筋土破坏时的试样变形情况以及试样破坏时筋材的典型破坏形式如图 4所示,可以看出:

(1)无筋土破坏时,试样整体发生了较均匀的侧向变形,这主要是因为土体中未放置筋材,外部传递过来的荷载可以由土体较均匀地承担,故最终发生的变形也比较均匀.

(2)H-V加筋土破坏时,水平筋上部土体发生较明显的侧向变形,而下部土体发生较小的均匀变形,这主要是由于水平筋材的存在割断了土体的整体性.由于 H-V筋材的存在,上部土体中被竖筋包围的土体在轴向力的作用下会形成一个挤密区.挤密区土体在轴力作用下发生侧向膨胀,而竖筋的存在约束了土体的变形,这在一定程度上提高了上部土体的强度,使得上部土体能够承受较大的荷载.同时,正是因为有水平筋材的存在,下部土体主要承受水平筋材传递下来的比较均匀的荷载.因此,轴向荷载主要被 H-V加筋的上部土体所承受,故变形主要发生在上部土体,下部土体只发生了很小的均匀变形.

(3)筋材的破坏形式主要有 2种:倾覆 (见图4(c))和断裂 (见图 4(d)).倾覆表现为竖向筋条向两侧倾倒,主要发生在挤密区土体对竖筋的外推作用不是很大时;断裂是由于外推作用较大时,使得在竖筋与水平筋的交界处水平筋发生断裂.筋材的破坏形式也可以解释 H-V加筋试样破坏时上部土体发生侧向变形的现象.

图 4 破坏状态Fig.4 Situation of fa ilure

2.2 H-V加筋土的应力-应变曲线特性

对试验结果进行综合分析得知,同一围压下不同加筋形式土体的应力-应变曲线有着近乎相同的规律,这里仅选取其中的一组进行详细分析.试样的水平筋材采用工况D的形式,围压取 50 kPa.图 5为无筋以及不同竖筋高度下该组试样的偏应力-应变曲线.可以看出,加筋土的强度高于无筋土的强度,大致在应变为 4%～8%时达到峰值强度.当竖筋高度较低时,H-V加筋土的强度接近传统水平筋的强度,竖筋不会发生倾覆,故在后期出现一定的弱强化趋势.而随着竖筋高度的继续增加,加筋土的强度却是先增高后降低,这表明竖筋高度存在一个最优值,此时 H-V加筋土的强度最高.当竖筋高度超过这个最优值时,强度反而会降低.这主要是因为竖筋高度过高时,竖筋会过早的发生倾覆,在应力-应变曲线上表现为强度的陡降,该现象大致发生在 11%应变处.

图 5 典型的应力-应变曲线(σ3=50 k Pa)Fig.5 Typ ical stress-strain curve(σ3=50 k Pa)

图 6为当竖筋高度为 5 mm时工况 D的应力-应变曲线.可以看出,应力-应变曲线呈双曲线的形状,随着围压的增大,H-V加筋土的强度也在不断地增大,并呈现出一定的硬化特性.

图 6 应力-应变曲线(ΔH=5 mm)Fig.6 Typ ical stress-stra in curve(ΔH=5 mm)

2.3 水平筋形式对强度的影响

2.3.1 峰值应力对比

为了研究水平筋形式对强度的影响,本研究取不同工况下的峰值应力进行对比,结果如图 7所示.

图 7 不同工况下的峰值应力与竖筋高度曲线Fig.7 Peak stress-ver tical height curve in d ifferent cases

(1)水平筋材满布布置时,H-V加筋土体的强度低于水平筋材带孔时加筋土体的强度.这是因为满布的水平筋彻底割裂了土体,使上下部土体成为各自独立的两部分,而上部土体承受了外部传来荷载的绝大部分,因此,当上部土体发生破坏时整个试样也就失去了承载能力,加筋土发生破坏.而打洞之后,上部土体所承担的轴向荷载的一部分可以传递给下部土体,从而使挤密区对竖筋的水平推力有一个缓解的过程,竖筋不至于过早破坏,并且孔洞的存在会形成类似于土工格栅的格室效应,这也在一定程度上提高了土体的强度.

(2)水平筋材带孔时可以提高加筋土体的强度,但孔洞也并非越大越好.从图 7可以看出,无论低围压还是高围压,均是具有 10 mm×10 mm孔洞水平筋形式下的 H-V加筋土强度最高.这主要是因为水平筋材上的孔洞能够及时将荷载传递到下部土体,使得挤密区的强度增长缓慢,竖筋不至于过早地发生破坏,可以比较稳定地发挥约束作用,从而使得土体的强度提高.但是孔洞同时会造成水平筋强度的折减,当孔洞过大时,强度折减也就越厉害.当其强度折减超过了对土体强度提高所起的正面作用时,加筋土体的强度就会降低,因此,对于带孔的水平筋同样存在一个最佳的形式.

(3)竖筋高度存在一个最佳值.从峰值图上可以看出,竖筋高度过低,难以发挥 H-V加筋土体的优势,而竖筋过高时,又会过早发生倾覆破坏,从而也导致了加筋土体强度的降低,故而认为竖筋高度存在一个最佳值.本次试验得出竖筋高度的最佳值为 15 mm.

(4)H-V加筋是一种立体空间加筋体系,水平筋和竖筋对土体强度的提高不是一种简单的叠加,而是相互影响、相互制约的,并且存在一种最佳的结合形式.本次试验中的最佳结合形式为,水平筋采用10 mm×10 mm的孔洞形式,竖向筋高度取 15 mm的 H-V加筋形式.

2.3.2 H-V加筋砂土的强度参数

使用应力路径法,将试验结果整理在 p-q坐标系下,可求得强度参数 c和φ,结果如表3所示.

表3 H-V加筋土体的强度参数Table 3 Strength parameter s of H-V reinforced sand

从表3可以看出,水平筋满布情况下,H-V加筋砂土的粘聚力 c和内摩擦角φ较之纯砂均有所提高.在水平筋带孔的情况下,当竖筋高度较小时,c值增幅不大甚至有所降低,φ值有所提高,主要是因为孔洞所造成的强度折减大于竖筋所起的侧向约束作用和孔洞引起的格室作用,从而使得加筋土体整体表现出强度的降低.当竖筋高度较高时,c,φ值均有所提高,主要是因为此时竖筋的约束作用和孔洞的格室作用大于水平筋带孔造成的强度折减,故加筋土体的整体强度得到了提高,这也说明了 H-V加筋存在一个最佳的搭配形式.

从前面的破坏分析中可知,筋材的破坏也存在断裂破坏的形式.根据传统水平加筋的研究结果[15],断裂破坏时只提高土体的黏聚力,对内摩擦角没有影响.而表3并未体现出这个规律,主要是因为 H-V加筋与传统水平筋的不同之处在于竖筋的存在.为充分发挥竖筋的作用,当竖筋高度过高时,采用肋条加固.竖筋及其所包围的土体在轴向荷载的作用下,形成挤密区对竖筋产生很大的水平推力.在竖筋的根部和水平筋的交接处,水平筋就表现为断裂破坏.但是,筋材的断裂是在试验后期,一般是在应变达到 11%之后才出现的,之前筋材已经很好地发挥了作用,故其破坏并不像传统的水平筋那样在断裂破坏时只提高黏聚力.为验证这一点,也进行了一组对比试验.以满布情况下为例,竖筋两侧无肋条加固,试验结果如表4所示.

表4 试验结果对比Table 4 Com par ison of exper iment results

从表4可以看出,在竖筋高度过低时,如在 0,5,10 mm的情况下,与纯砂相比,c,φ值都有所提高,此时发生摩擦型破坏.当竖筋高度过高,如在15,20 mm的情况下,c值有很大提高,φ值变化不大.这是因为竖筋过高时,没有肋条加固,就会在挤密区土体的外推作用下过早破坏,即还没有充分发挥作用就已经破坏,类似于断裂破坏,故只提高了 c值,对φ值影响不大.这和已得到的断裂破坏和摩擦破坏的规律一致.本试验中的筋条采取加短肋加固的方法,试验结果和传统的规律不太一致,这也是H-V加筋与传统加筋的不同之处,其加筋破坏机理尚需进一步研究.

3 结 论

通过平面应变试验,研究了水平筋的形式、竖筋高度以及围压对 H-V加筋砂土强度的影响,得出以下结论:

(1)H-V加筋是一种空间立体加筋体系,与水平筋材和竖向筋材强度的发挥有着密切的联系,二者处于一种最佳的搭配方式时,能够使 H-V加筋土强度有较大提高.

(2)水平筋带孔时的 H-V加筋土的强度高于水平筋满布时的强度,分析是从孔洞强度的折减、孔洞传递上部土体所承受的荷载、竖筋的侧向约束作用 3个方面进行考虑的.当后二者所起的作用大于孔洞的强度折减时,H-V加筋土强度增加.

(3)验证了在平面应变条件下,竖筋高度存在一个最佳值.本研究试验条件下得到的最佳值为15 mm.

(4)当竖筋作用充分发挥时,H-V加筋土体的粘聚力和内摩擦角相对于无筋土均有所提高,与传统水平筋不太一致,其原因尚需继续深入研究.

[1] SCHLOSSER F,LONG N T.Recent result in French research on reinforced earth [J]. Journal of the Construction Division ASCE,1974,100(3):223-237.

[2] INGOLD T S. Reinforced clay subjected undrained triaxial loading [J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division,1983,109(5):738-743.

[3] 赵爱根.加筋土的抗剪强度特性 [J].岩土工程学报,1988,10(1):69-75.

[4] 李国祥,刘丽萍.影响加筋土补强机理的主要因素的试验研究与分析[J].工程勘察,2000,14(5):39-42.

[5] 吴景海,王德群.土工合成材料加筋砂土三轴试验研究[J].岩土工程学报,2000,22(2):199-204.

[6] 魏红卫,喻泽红,邹银生.排水条件对土工合成材料加筋黏性土特性的影响 [J].水利学报,2006,37(7):838-845.

[7] 杨广庆,吕鹏,庞巍,等.返包式土工格栅加筋土高挡墙现场试验研究[J].岩土力学,2008,29(2):517-522.

[8] 罗庆裕,蒋柏青.土工织物加筋土挡墙应用研究 [J].浙江水利科技,1993,12(4):33-38.

[9] TATSUOKA F,YAMAUCHI H.A reinforcing method for steep clay slopesw ith a nonwoven geotextile[J].Geotextiles and Geomembranes,1986,4(3/4):241-268.

[10] ROH H S,TATSUOKA F.Effects of preloading and p restressing on the strength and stiffnessof geo-synthetic reinforced clay in plane strain compression [J].Geosynthetic International,2001,8(5):393-444.

[11] TATSUOKA F,MASUDA T.Modeling the stress-strain relations of sand in cyclic plane strain loading[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ASCE,2003,129(6):450-467.

[12] 马险峰,望月秋利,温玉君.基于改良型平面应变仪的砂土特性研究 [J].岩石力学与工程学报,2006,25(9):1745-1754.

[13] 张孟喜,闵兴.单层立体加筋砂土性状的三轴试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(8):931-936.

[14] ZHANG M X,ZHOU H,JAVADI A A,et al.Experimental and theoretical investigation of strength of soil reinforced with multi-layer horizontal-vertical orthogonal elements[J].Geotextilesand Geomembranes,2008,26(1):1-13.

[15] 熊正洪.也谈加筋土强度模型与应力-应变特性 [J].工程力学,1994,11(1):60-69.

Influence of Hor izontal Reinforcem ent Form s on Strength of Sand Reinforced w ith Hor izon tal-Ver tical Inclusion s

WEIWei, ZHANGMeng-xi, ZHANG Zhen-lei
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai200072,China)

More than 100 sets of p lane stress testswere carried out on sand reinforced w ith horizontalvertical(H-V)inclusions of perspex with different forms of horizontal inclusions(hole and coverage)and different height of vertical inclusions and cell pressure. Effects of the form of horizontal reinforcementson the strength of sands reinforced w ith horizontal-vertical inclusions were studied.The influence of heightof vertical inclusionsand confining pressureson strength isvalidated.The results show that strength of the form with hole is better than that of coverage because the axis load can be transferred to the lower soil,the vertical inclusions did not break earlier,and the form with hole has a cancellus effectwhich can improve the soil strength.The hole size has some influenceon strength.It isverified that height of the vertical inclusion has an optimal value.

horizontal-vertical(H-V)inclusion;p lane stress test;form of horizontal inclusion;height of vertical inclusion

TU 443

A

1007-2861(2011)02-0196-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.02.016

2009-10-30

国家自然科学基金资助项目(50678100,40972192)

张孟喜(1963～),男,教授,博士生导师,博士后,研究方向为新型土工加筋技术及环境岩土工程.E-mail:mxzhang@shu.edu.cn

(编辑:刘志强)

法国工程师 H.Vidal于 1965年提出加筋土设计理念,修筑了世界上第一座公路加筋土挡墙,这引起了世界各国对加筋土的关注.之后,国内外许多学者围绕加筋土进行了一系列的试验和理论研究.